量子点表面配体交换过程热力学基础

Fluorescent semiconductor quantum dots (QDs) have wide biomedical applications in biological imaging, tracking, biosensing, etc. The surface ligands of QDs play critical roles in the syntheses and applications, can tune the electronic structures of QDs, mainly determine their interactions with the surroundings, and highly influence the stability, optical properties and biocompatibility of QDs. For specific purpose, ligand exchange will take place on the surface of QDs. However, the thermodynamics of the ligand exchange on the surface of QDs has not yet been elucidated. This proposal focuses on the fluorescent QDs. By utilization of macroscopic and microscopic methods like microcalorimetry, fluorescence spectroscopy, XPS, TEM, etc, the interactions between QDs and different types of ligands (L, X, Z) will be investigated. The head and tail groups of ligands, and the composition and size of QDs will be the key factors. Based on the thermodynamic parameters of interactions, the relationship between the structures of ligands and thermodynamic parameters will be established. It is expected that the mechanism of the ligand exchange will be elucidated in a physicochemical point view. The results will highly contribute to the design, property control, functionalization and biomedical applications.

荧光量子点在生物成像、示踪和传感等生物医学领域有广泛应用。表面配体在量子点制备和应用过程中扮演极其重要的角色，可以调控量子点电子结构，很大程度上决定其与外界的作用方式，是影响量子点稳定性、光学性能和生物相容性的关键因素。量子点为了实现特定应用目的，其表面必须进行配体交换。然而，量子点表面配体交换过程的热力学尚未阐明。本项目拟以荧光半导体量子点（CdSe、CdTe等）为对象，采用微量热、荧光光谱、XPS、TEM等技术和方法，将宏观和微观手段相结合，研究量子点与不同类型（L、X、Z型）配体相互作用，考察配体头基和尾基、量子点组成及尺寸等因素对相互作用的影响，获取相互作用的热力学性质，并进行准确解析；构建配体结构与交换过程热力学性质之间的联系，阐明配体结构对交换过程的影响机制。该项目研究结果将对量子点精细设计、性能控制、功能化修饰和生物医学应用有重要指导意义。

荧光量子点在显示、照明、光伏以及生物成像、示踪和传感等领域有广泛应用。表面配体在量子点制备和应用过程中扮演极其重要的角色，可以调控量子点电子结构，很大程度上决定其与外界的作用方式，是影响量子点稳定性和光学性能的关键因素。量子点为了实现特定应用目的，其表面必须进行配体交换。然而，量子点表面配体交换过程的热力学机制尚未完全阐明。本项目以荧光半导体量子点（CdSe、CdTe等）为对象，采用微量热、荧光光谱、紫外-可见吸收光谱、核磁共振氢谱、XPS、TEM等技术和方法，将宏观和微观手段相结合，研究了量子点与不同类型（L、X、Z型）配体的相互作用，考察了配体头基和尾链等因素对相互作用的影响，获取了相互作用的热力学性质，并进行准确解析；建立了配体结构与交换过程热力学性质之间的联系，阐明了配体结构对交换过程的影响机制；构建了量子点表面配体交换的两步热力学模型（TSLE）及表面配体吸附的热力学模型，提出了量子点表面配体吸附的动力学拟合公式。该项目研究结果将对量子点精细设计、性能控制、功能化修饰和生物医学应用有重要指导意义。在ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Phys. Chem. C、Anal. Chem.、Langmuir、Nanoscale等杂志上发表学术论文20篇，其中通讯作者论文18篇。